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주의, 속도! 화학 실험
집에서 즐기는 재미있는 경험 / 어린이를 위한 화학 실험 화학 과학에는 다양한 반응의 속도와 메커니즘을 연구하는 특별한 영역인 화학 동역학이 있습니다. 화학 이론으로 많은 것을 설명할 수 있지만 어떤 반응의 속도를 이론적으로 예측하는 것은 아직 불가능합니다. 실험실에서 실험적으로 연구한 다음 이 속도를 변경하는 방법을 개발합니다. 업계에 중요한 많은 반응이 있는데, 너무 느리기 때문에 속도를 높일 수 있어야 합니다. 반대로 다른 반응은 해롭기 때문에 억제되어야 합니다. 요컨대, 화학 역학은 실험 과학입니다. 그 법칙의 타당성은 몇 가지 간단한 실험으로 확인할 수 있습니다. 우선, 동일한 반응의 속도가 실제로 상당히 크게 변할 수 있는지 확인합시다. (그러나 이것은 화학적이지 않고 삶의 경험을 바탕으로 가정할 수 있습니다. 예를 들어, 온도가 다르면 동일한 생화학 반응이 다른 속도로 진행되기 때문에 추위에 있는 음식은 더위보다 더 천천히 악화됩니다.) 확인하려면 "장에서 실험을 반복하십시오.화학 시계", 그러나 이번에는 물질의 농도가 아니라 (이것은 이미 친숙합니다) 온도입니다. 초기 용액 인 황산나트륨과 요오드산 칼륨과 황산을 모두 얼음물에 부으면 출현 전 시간이됩니다. 파란색은 따뜻한 물을 사용할 때보다 눈에 띄게 오래 걸립니다. 매우 뜨거운 물에서는 전분과 요오드의 착색 조합이 불안정하기 때문에 색상이 전혀 나타나지 않습니다. 따라서 경험을 통해 알게 되었습니다. 농도와 온도가 높을수록 반응이 빨라집니다. 그러나 언뜻 보기에 일부 반응은 규칙의 예외인 것 같습니다. 다음은 예입니다. 시험관에 아세트산을 1~2cm 높이로 붓고 아연 몇 조각을 떨어뜨립니다. 아연은 먼저 염산 용액에 XNUMX초 동안 담그고 물로 헹구어 세척해야 합니다. 아세트산은 약하고 아연은 매우 천천히 용해되어 수소 거품이 거의 방출되지 않습니다. 반응 속도를 높이는 방법은 무엇입니까? 용액을 가열하십시오. 오른쪽. 그렇지 않으면 불가능합니까? 이렇게 합시다: 시험관에 깨끗한 물을 점진적으로 추가하고 매번 잘 섞습니다. 거품을 잘 살펴보세요. 놀라운 점은 산이 이미 반, 세 배로 희석되었고 반응이 느려지는 대신 점점 더 빨라지고 있다는 것입니다! 이 경험을 원에 넣으면 아연을 작은 마그네슘 부스러기로 교체하고 아무것도 처리하지 마십시오. 묽은 아세트산과 함께 마그네슘은 아연보다 훨씬 더 격렬하게 반응합니다. 규칙에 대한 이러한 "예외"는 잘 연구하면 분명해집니다. 아세트산에 대한 우리의 경험은 다음과 같이 설명됩니다. 아연 또는 마그네슘이 산과 반응하는 속도는 용액의 수소 이온 농도에 따라 다릅니다. 이 이온은 산이 물에 용해될 때 형성됩니다. 그러나 물이 부족할 때 약한 아세트산은 거의 해리되지 않은 분자의 형태로 용액에서 발견됩니다. 물로 희석할수록 점점 더 많은 아세트산 분자가 이온으로 분해되고 반응이 더 빨리 진행됩니다. 그러나 물을 너무 많이 추가하면 다른 이유로 반응이 다시 느려집니다. 강력한 희석으로 인해 수소 이온 농도가 다시 감소합니다. 15% 아세트산은 아연과 가장 빠르게 반응합니다. 물론 우리는 단순히 화학적 변환이 얼마나 특이한지를 보여주기 위해 이 실험을 분석한 것이 아닙니다. 반응 속도를 제어하려면 반응 속도를 알아야 합니다. 모든 반응은 물질 분자가 서로 충돌한다는 사실로 시작됩니다. 반응이 어떻게 시작되는지 봅시다.
매우 넓지 않은 수십 센티미터 길이의 유리관을 가져다가 코르크 두 개를 집어 들고 튜브를 향한 안쪽에서 작은 유리 막대를 두 코르크에 넣고 그 주위에 면봉을 감습니다. 한 조각은 진한 염산 몇 방울로 적시고 다른 조각은 진한 암모니아 용액으로 적시십시오. 동시에 면봉으로 플러그를 양쪽 끝에서 튜브에 삽입하십시오. 몇 분 후-튜브의 길이에 따라-염산이있는 면모에 더 가깝게 염화 암모늄 NH의 흰색 고리가 나타납니다.4Cl. 일반적으로 화학 반응 중에 혼합물을 저어 공정을 더 빠르게 진행합니다. 우리는 의도적으로 이것을 하지 않았고 분자들이 만나도록 돕지도 않았습니다. 그들은 스스로 움직였습니다. 하나 또는 다른 매체에서 분자의 이러한 독립적인 움직임을 확산이라고 합니다. 면모에서 증발하면서 두 물질의 분자는 초당 수십억 번의 공기 분자 및 서로 충돌을 경험했습니다. 그리고 분자의 속도는 매우 빠르지만 초당 수백 미터로 계산되며, 0 ° C 및 정상 압력에서 자유 경로, 즉 분자가 한 충돌에서 다른 충돌로 이동할 수 있는 거리는 다음과 같습니다. 이러한 물질의 경우 약 0,0001mm에 불과합니다. 이것이 암모니아와 염화수소(염산에서 유래)가 튜브에서 매우 느리게 움직이는 이유입니다. 마찬가지로 천천히 악취 물질이 공기가 없는 방에 퍼집니다. 그런데 왜 튜브 중간에 흰색 고리가 나타나지 않았습니까? 암모니아 분자는 더 작기 때문에 공기 중에서 더 빨리 이동합니다. 공기가 튜브 밖으로 펌핑되면 암모니아와 염화수소 분자가 순식간에 만나 분자의 평균 자유 경로가 크게 증가합니다. 중력과 온도가 확산에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 약간의 조사를 직접 수행하는 것이 좋습니다. 이렇게하려면 튜브를 수직으로 비스듬히 놓고 튜브의 개별 부분을 가열하십시오 (염화 암모늄이 침전되는 곳 포함). 자신의 결론을 내리십시오. 기체에서 액체로 넘어갑시다. 그들에서 확산은 훨씬 더 느리게 진행됩니다. 실험적으로 확인해 봅시다. 부드럽고 깨끗한 유리판에 세 가지 액체 몇 방울을 서로 옆에 떨어 뜨립니다. 중간-물, 측면-소다 및 염산 용액. 실험 시작 전의 액체는 접촉해서는 안됩니다. 그런 다음 교반을 피하면서 매우 조심스럽게 용액을 막대기로 결합하십시오. 이산화탄소가 방출되어야 하지만 즉시 발생하지는 않습니다. 그리고 가스가 방출되기 시작하면 산과 소다의 확산 영역을 구분하는 경계를 따라 기포가 위치합니다. 소다와 산 대신에 혼합될 때 착색되거나 침전되는 두 가지 수용성 물질을 사용할 수 있습니다. 그러나 이러한 실험에서는 그림을 왜곡하는 액체 흐름을 피하기가 어려우므로 농축 용액에서 실험을 수행하는 것이 좋습니다. 그리고 젤라틴으로 걸쭉하게 만들 수 있습니다. 뜨거운 물에 담가 4% 젤라틴 용액을 준비합니다(끓이지 마세요!). 뜨거운 용액을 시험관에 붓고 식으면 한 번의 동작으로 과망간산 칼륨, 황산구리 또는 다른 밝은 색상의 수용성 물질 결정을 핀셋으로 시험관 중앙에 삽입하십시오. 조심스럽지만 빠른 움직임으로 핀셋을 즉시 제거합니다. 몇 시간 내에 매우 아름다운 확산 패턴을 관찰할 수 있습니다. 용질은 같은 속도로 모든 방향으로 전파되어 유색 구체를 형성합니다. 농축 솔루션을 사용하면 다른 실험을 할 수 있습니다. 뜨거운 젤라틴 용액을 두 개의 시험관에 붓고 하나에는 약간의 알칼리 용액을, 다른 하나에는 페놀프탈레인을 첨가합니다. 시험관의 내용물이 굳으면 핀셋으로 페놀프탈레인 정제 조각을 첫 번째 시험관 중앙에 빠르게 넣고 소다회 덩어리를 두 번째 시험관 중앙에 넣습니다. 두 경우 모두 진홍색이 나타납니다. 그러나 참고: 두 번째 시험관에서는 색상이 훨씬 빠르게 퍼집니다. 알칼리 해리 중에 형성된 수산화물 이온은 복잡한 유기 페놀프탈레인 분자보다 훨씬 작고 가볍기 때문에 용액에서 더 빨리 움직입니다. 이제 고체로 넘어 갑시다. 이들 사이(또는 고체와 액체 또는 기체 사이의 반응)에서 분자는 표면에서만 충돌할 수 있습니다. 인터페이스가 클수록 반응이 빨라집니다. 이것을 확인합시다. 철은 공기 중에서 타지 않습니다. 그러나 이것은 철제 물체에만 해당됩니다. 예를 들어 손톱은 공기와 접촉하는 표면이 작기 때문에 산화 반응이 너무 느립니다. 철제 파일링은 산소와 훨씬 더 빨리 반응합니다. 추위에서는 더 일찍 녹이 슬고 화염에서는 불이 붙을 수 있습니다. 가장 작은 곡물은 전혀 가열하지 않고도 타오를 수 있습니다. 이러한 철을 발화성이라고 합니다. 가장 작은 파일로도 계획할 수 없으므로 예를 들어 옥살산 염-옥살산 철을 분해하여 화학적으로 얻습니다. 황산 제XNUMX철과 같은 일부 제XNUMX철 염과 옥살산 또는 그 용해성 염의 수용액을 혼합합니다. 황색 옥살산철 침전물을 걸러내고 시험관에 XNUMX분의 XNUMX 이하로 채운다. 구멍이 아래로 향하고 몸에서 멀어지도록 시험관을 수평으로 또는 약간 기울인 상태에서 버너의 불꽃으로 물질을 가열하십시오. 여과지나 탈지면으로 나오는 물방울을 제거하십시오. 수산염이 분해되어 검은 가루로 변하면 바이알을 닫고 냉장 보관하십시오. 점차적으로 매우 조심스럽게 시험관의 내용물을 금속 또는 석면 시트에 붓습니다. 분말이 밝은 불꽃과 함께 타오를 것입니다. 이 경험은 어두운 방에서 특히 효과적입니다. 중요 경고: 발화성 철은 보관하면 안 됩니다. 화재가 발생할 수 있습니다! 실험이 끝나면 분말을 공기 중에서 발화하거나 산으로 처리하여 타지 않은 입자가 남지 않도록하십시오. 자발적으로 발화 할 수 있습니다. 다음으로 고체 표면의 크기가 액체와의 반응 속도에 어떤 영향을 미치는지 조사합니다. 동일한 분필 두 개를 가져다가 그 중 하나를 가루로 빻습니다. 두 샘플을 모두 튜브에 넣고 동량의 염산을 채웁니다. 잘게 쪼개진 분필은 예상대로 훨씬 빨리 용해됩니다. 황산이 담긴 시험관에 또 다른 분필 조각을 넣으십시오. 처음에 시작된 활발한 반응이 가라앉다가 완전히 멈춥니다. 에서 무엇을? 결국 황산은 염산보다 약하지 않습니다 ... 초크가 염산과 반응하면 염화칼슘 CaCl이 형성됩니다.2 물에 쉽게 용해되며 분필 표면으로의 새로운 산 부분의 흐름을 방해하지 않습니다. 황산과 반응하면 황산칼슘 CaSO가 생성된다.4, 그것은 물에 매우 잘 녹지 않으며 분필 표면에 남아 닫힙니다. 반응이 더 진행되기 위해서는 초크의 표면을 수시로 청소하거나 미리 가루로 만드는 것이 필요하다. 이러한 프로세스 세부 사항에 대한 지식은 화학 공학에 매우 중요합니다. 그리고 또 하나의 경험. 질산납과 요오드화칼륨, 황산제일철, 적혈구 염 등 유색 반응 생성물을 제공하는 두 가지 고체 물질을 박격포와 박격포에 혼합하고 유봉으로 혼합물을 문지릅니다. 점차적으로 혼합물을 문지르면 물질의 상호 작용 표면이 증가함에 따라 혼합물이 착색되기 시작합니다. 혼합물에 약간의 물을 부으면 강렬한 색상이 즉시 나타납니다. 결국 분자는 용액에서 훨씬 쉽게 움직입니다. 그리고 kinetics에 대한 실험의 결론으로 우리는 정량적 실험을 설정할 것입니다. 필요한 도구는 스톱워치나 초침이 있는 시계뿐입니다. 0,5 l의 3 % 황산 용액 (물에 산을 붓는 것!)과 같은 양의 12 % 티오 황산나트륨 용액을 준비하십시오. 티오황산염을 녹이기 전에 물에 암모니아 몇 방울을 떨어뜨립니다. 용량이 100ml인 두 개의 원통형 병(유리, 스택)에 레벨 50을 표시합니다. 25; 12,5 및 37,5ml, 높이를 순차적으로 반으로 나눕니다. 병에 표시를 하고 준비된 용액을 위쪽 표시(50ml)까지 붓습니다. 어두운 종이에 200 또는 250ml 용량의 일반 얇은 유리를 놓고 티오 황산염 용액을 부은 다음 산을 부으십시오. 즉시 시간을 기록하고 혼합물을 XNUMX~XNUMX초 동안 저어줍니다. 유리를 깨뜨리지 않으려면 나무 막대기를 사용하는 것이 좋습니다. 용액이 흐려지기 시작하면 반응 시작 이후 경과된 시간을 기록한다. 함께 실험을 수행하는 것이 편리합니다. 하나는 시계를 모니터링하고 다른 하나는 솔루션을 배출하고 흐림을 신호합니다. 유리를 씻고 실험을 세 번 더 반복하십시오. 세 번째(37,5), 두 번째(25) 및 첫 번째(12,5ml) 표시까지 티오황산염 용액을 유리에 붓고 매번 물을 위쪽 부분에 추가합니다. 모든 실험에서 산의 양은 일정하게 유지되며 반응 혼합물의 총 부피는 항상 100ml입니다. 이제 그래프를 그립니다: 반응 속도가 티오황산염의 농도에 어떻게 의존하는지. 1, 2, 3, 4 임의의 단위로 농도를 표현하는 것이 편리합니다. x축에 놓습니다. 그러나 반응 속도를 어떻게 계산합니까? 탁도의 순간을 눈으로 어느 정도 주관적으로 결정하기 때문에 정확하게 할 수는 없습니다. 또한 탁도는 반응 중에 방출되는 황의 가장 작은 입자가 눈에 보일 정도의 크기에 도달했음을 보여줄 뿐입니다. 그러나 더 나은 방법이 없기 때문에 혼탁의 시작을 반응의 끝으로 간주합시다 (그런데 진실에서 그리 멀지 않습니다). 한 가지 더 가정해 보겠습니다. 반응 속도는 지속 시간에 반비례합니다. 반응에 10초가 걸린다면 속도를 0,1로 가정합니다. y축에 속도를 플로팅합니다. 네 가지 실험은 네 가지 포인트를 주었고 다섯 번째는 기원입니다. 다섯 점 모두 대략 하나의 직선에 위치합니다. 그녀의 방정식은 다음과 같이 작성됩니다. v == k [나2S2O3] 어디에서 V - 반응 속도, 대괄호는 화학 동역학에서 허용되는 농도 지정, 그리고 k - 그래프에서 쉽게 찾을 수 있는 속도 상수입니다. 그러나 반응 속도는 황산의 농도에도 의존해야 합니다. 티오황산염의 양은 그대로 두고 황산을 희석하여 반응속도가 어떻게 변하는지 확인한다. 이상하게도 변하지 않습니다! 이러한 경우는 드문 일이 아닙니다. 우리의 실험에서 복잡한 반응이 일어나고 그 생성물인 황은 티오황산염과 산 분자가 직접 충돌하는 동안 즉시 방출되지 않습니다. 일반적으로 제품이 즉시 얻어지는 반응은 그리 많지 않습니다. 복잡한 순차 반응에서 일부 단계는 다른 단계보다 느립니다. 우리의 경우에는 유황이 형성되는 후자입니다. 사실 우리가 측정한 것은 그녀의 속도였습니다. 저자: Olgin O.M.
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